Введение к работе
Актуальность темы.
Создание и модификация ионообменных мембран являются одними из быстро
развивающихся направлений науки и техники благодаря тому, что данные
материалы находят широкое применение в таких областях как водоподготовка,
очистка и разделение веществ, создание альтернативных источников энергии,
газовых сенсоров и т.д. Известны микрофильтрационные мембраны на основе
полимеров сетчатой структуры, обладающие высокой эффективностью
фильтрации по отношению к механическим и коллоидным примесям, ПАВ,
высокими эксплуатационными характеристиками и удельной
производительностью. Однако отсутствие ионогенных групп в структуре данных мембран обуславливает низкую эффективность очистки от примесей различных ионов и ограничивает их сферу применения. Модификация путём внедрения в поровую структуру данных мембран ионообменных материалов, содержащих сульфогруппы, позволит понизить их диффузионную проницаемость и повысить селективность по отношению к ионным примесям. Другим интересным подходом к получению материала с высокими ионообменными и транспортными характеристиками представляется непосредственное сульфирование полимера сетчатой структуры. Полученные таким образом материалы могут применяться для создания гомогенных сульфокатионитовых мембран или нанесения модифицирующих покрытий на пористые системы.
Цель настоящей работы заключалась в создании новых ионообменных мембранных материалов на основе сульфированного поликарбоната (СПК), поликарбонатметакрилата сетчатой структуры (ПКМ) с внедрённым в поровую структуру сульфокатионитом МФ-4СК или СПК, а также в изучении процессов ионного транспорта в полученных мембранах. Для выполнения поставленных целей представлялось необходимым решение следующих задач:
разработать методы синтеза СПК и гомогенных сульфокатионитовых мембран на его основе;
разработать методы синтеза гетерогенных мембран на основе ПКМ с внедрённым в поровую структуру сульфокатионитом МФ-4СК или СПК;
охарактеризовать структуру и строение полученных мембранных материалов, исследовать их ионообменные свойства;
исследовать транспортные свойства мембран включая, диффузионную проницаемость, коэффициенты взаимной диффузии ионов водорода и щелочного металла (на примере катионов Ґ", Li+, Na+, К+, Rb+, Cs+), a также, ионную проводимость.
Научная новизна. В рамках диссертационной работы разработаны методы синтеза сульфированного поликарбоната (СПК) и изготовлены гомогенные сульфокатионитовые мембраны на его основе. Исследовано влияние условий синтеза СПК на структуру и свойства получаемого сульфополимера. Впервые разработаны методы модификации мембран на основе ПКМ с помощью раствора полимера МФ-4СК или СПК, позволяющие получать гетерогенные ионообменные мембранные материалы с пониженной диффузионной проницаемостью и повышенной селективностью по отношению к ионным примесям. Изучены ионообменные и транспортные свойства полученных мембран. Проведено систематическое исследование влияния сульфокатионита МФ-4СК внедрённого в поровую структуру мембран ПКМ на строение и транспортные характеристики полученных гетерогенных мембран.
Практическая значимость. Получены гетерогенные мембраны на основе ПКМ с пониженными значениями диффузионной проницаемости и высокой селективностью к ионным примесям, которые могут рассматриваться в качестве перспективных материалов для создания фильтрующих элементов и применения в области водоочистки и водоподготовки, выделения и разделения веществ в жидких средах. Выявлены причины изменения транспортных характеристик мембран при их модификации. Обнаруженные закономерности и подходы к модификации могут позволить получать материалы с заданными свойствами.
Синтезированы материалы на основе сульфированного поликарбоната с высокими значениями обменной ёмкости и ионной проводимости, обладающие улучшенными транспортными характеристиками. Совокупность данных свойств позволяет рассматривать данные материалы в качестве перспективных для применения в области водоочистки и водоподготовки, разделения веществ и выделения ценных компонентов, а также для создания альтернативных источников энергии.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Методы синтеза СПК и изготовления гомогенных сульфокатионитовых мембран на его основе.
-
Методы синтеза гетерогенных мембран на основе ПКМ с внедрённым в поровую структуру сульфокатионитом МФ-4СК или СПК.
-
Результаты исследования состава и транспортных характеристик полученных мембранных материалов.
-
Сведения о влиянии внедрённого в поры ПКМ сульфокатионита на ионную проводимость и диффузионную проницаемость полученных мембранных материалов.
Личный вклад автора. Диссертантом получены основные экспериментальные результаты и проведена их обработка, выбраны методы и объекты исследования с учётом их специфики, осуществлен синтез исследуемых образцов, изучены их транспортные и ионообменные свойства, сформулированы выносимые на защиту положения и выводы.
Апробация работы. Результаты исследований представлены на международных конференциях «Ion transport in organic and inorganic membranes» (Краснодар - 2011, 2013); 16-й и 17-й международных выставках химической промышленности и науки «Химия-2011, 2013» (Москва - 2011, 2013).
Работа выполнялась в рамках плана НИР Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук» при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант 07-08-00602-а), программы Президиума РАН «Разработка методов получения химических веществ и создания новых материалов».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ, из них 3 статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ, 2 доклада на российских и международных конференциях.
Объём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, обсуждения результатов, выводов и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 120 страницах печатного текста, содержит 15 таблиц и 25 рисунков. Список цитируемой литературы содержит 133 наименования.
